黃 莉，朱勇輝，姚仕明

（長江科學院水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010）

三峽工程運用初期石首河段沖淤試驗及河勢控制方案研究

黃 莉，朱勇輝，姚仕明

（長江科學院水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010）

利用長江防洪實體模型動床模型試驗，研究了三峽工程運用初期不同時期石首河段的沖淤變化規(guī)律，并預測其河勢變化趨勢；針對該河段出現(xiàn)的新情況進行研究分析，提出了該河段的河勢控制方案。研究結(jié)果表明：三峽工程蓄水運用至2022年末，該河段總體河勢與近期基本一致，依然維持目前新生灘左汊為主汊、左汊內(nèi)左槽為主河槽的分汊格局，但局部河勢仍有一定程度的調(diào)整變化。該河段的河勢控制初步思路為：對深泓近岸及主流頂沖的險工段采用護岸守護，包括對已建護岸工程的加固及未護段的新護；另外，根據(jù)河勢調(diào)整趨勢，對局部洲灘進行守護，以穩(wěn)定目前較為有利的河勢格局或防止其向不利河勢方向轉(zhuǎn)化。

長江防洪實體模型；三峽工程；石首河段；河勢控制

1 概 述

石首河段位于長江中游下荊江之首，是下荊江河勢控制工程規(guī)劃的6個整治河段之一［1］，多年來河勢調(diào)整復雜多變。1997年以來，石首河彎的主流雖基本穩(wěn)定在新生灘左汊，但河勢仍處于不斷的調(diào)整變化中，并且隨著三峽工程的進一步蓄水運用及其上游向家壩、溪洛渡等干支流水庫的陸續(xù)建成，水沙條件的改變，石首河段的河道變化趨勢仍不明朗。

關(guān)于該河段河勢控制規(guī)劃，水利部1998年批準的《長江中下游干流河道治理規(guī)劃報告》（以下簡稱《規(guī)劃報告》）中指出［2］：“通過采取工程措施，穩(wěn)定主流走新生灘（又名藕池口心灘，下同）右汊的河勢，使主流沿右岸送江碼頭、孤島和北門口一線下行，然后再向左岸魚尾洲至北碾子灣一帶過渡?！蹦壳埃缀訌澨幮律鸀┓种髁鳛閮摄?，以走左汊為主，左汊由于新生灘灘頭左緣崩退，左汊變寬，江中淤出倒口窯心灘，枯水期將左汊水流分為左、右兩槽，枯水航槽在左、右槽內(nèi)擺動?，F(xiàn)有的河道格局顯然與《規(guī)劃報告》提出的以右汊為主汊的發(fā)展方向是不相適應(yīng)的。

正是基于以上考慮，本文以長江防洪實體模型為依托，研究了三峽工程運用初期不同時期石首河段的沖淤變化規(guī)律，并預測其河勢變化趨勢，最后針對該河段出現(xiàn)的新情況研究提出了該河段的河勢控制方案。研究成果可為該段河道的治理和河勢控制工程規(guī)劃、設(shè)計等提供技術(shù)參考。

2 河道概況

石首河段上起茅林口，下至南碾子灣，全長約31 km，曲折率為2.72，由上下兩段長順直段和中間的急彎段組成，在本河段進口附近右岸有藕池口分流入洞庭湖。歷史上該河道河勢調(diào)整較為劇烈，自然裁彎頻繁，在1887－1972年的近百年內(nèi)，曾先后發(fā)生過1887年古丈堤、1910年左右河口、1949年碾子灣和1972年沙灘子等4次自然裁彎［3］；近幾十年來，該段河勢調(diào)整主要表現(xiàn)為急彎段水流的切灘撇彎，鄰近東岳山的向家洲受水流不斷撇彎的影響，于1994年6月被水流切掉洲尖約80 m，引起下游河勢一系列的調(diào)整變化；三峽工程蓄水運用以來，該河段基本呈現(xiàn)新生灘左汊為主汊的河勢格局，另外，倒口窯心灘分左汊為左、右兩槽，隨著倒口窯心灘左緣的不斷崩退，左槽有所發(fā)展，右槽則有所萎縮，且有與下游新生灘并攏的趨勢，目前河勢仍在進一步的調(diào)整中。

石首河段兩岸均建有堤防，左岸為荊江大堤前沿陣地人民大垸堤防，右岸為石首市城區(qū)長江干堤。河段兩岸除右岸石首市附近受東岳山天然節(jié)點的控制外，其它均由河流松散沖積物組成。土層呈二元相結(jié)構(gòu)：一般上部為粉質(zhì)壤土和沙壤土，土層厚度不大，根據(jù)向家洲和北門口崩岸段鉆孔資料分析，該段土層粉質(zhì)壤土厚5.0～7.3 m，沙壤土厚5.6～10.6 m；以下為細砂，砂層較厚，卵石深埋于床面以下，河岸抗沖能力較弱。河床主要由細沙（0.10～0.25 mm）組成，約占床沙的70%，過渡段的床沙較彎道段略有偏粗。三峽工程蓄水運用以來，河床整體稍有所粗化，中值粒徑在0.20 mm左右。

石首河段水沙主要來自上荊江，經(jīng)藕池口分流后進入本河段。河段上游有沙市水文站，下游有監(jiān)利水文站。根據(jù)沙市、監(jiān)利水文站實測水沙資料分析可知：1955－2009年沙市站（1991年以前為新廠站）多年平均徑流量為3 911億m3，多年平均輸沙量約為3.89億t；1951－2009年監(jiān)利站多年平均徑流量為3 545億m3，多年平均輸沙量為3.27億t；三峽工程蓄水運用以來（2003－2009年），長江干流沙市站年均徑流量較蓄水前多年平均值有所減少，減少5.0%，但監(jiān)利站年均徑流量較蓄水前多年平均值稍有增加，這主要是因為荊江三口分流比繼續(xù)減小而導致下荊江泄流量增加所致；兩站年輸沙量大幅度減少，分別減少81.4%，73.8%，這主要是因為三峽工程蓄水運用以來下泄的沙量大幅度減少，壩下游河道發(fā)生沿程沖刷而逐步恢復。

由藕池口（康家港站＋管家鋪站）1951－2009年實測水、沙資料可知：自20世紀50年代以來，藕池口分流分沙比在荊江三口中減小最為明顯，分別由裁彎前（1951－1966年）的14.73%和21.2%減小到三峽工程蓄水后的2.58%和5.76%。另外，三峽工程蓄水運用后，與蓄水前（1981－2002年）相比，藕池口分流分沙比均有所減少，分流比減少37.2%，分沙比變化幅度不大。

3 模型設(shè)計與驗證

本模型試驗是在水利部江湖治理與防洪重點實驗室長江防洪模型上進行的，動床模擬范圍上起馬羊洲頭部（荊27上游1.4 km）至北碾子灣附近（荊106），主要包括涴市河彎、沙市河彎、公安河彎、郝穴河彎、石首河彎及各彎道之間的過渡段，全長約121.9 km，石首河段模型平面布置圖如圖1所示。動床模型設(shè)計主要滿足幾何相似、水流運動相似及泥沙運動相似，選用長江防洪實體模型所采用的塑料合成沙［4］為本次試驗的模型沙，密度為1.38 t／m3，干密度隨模型沙粒徑變化而略有改變，取0.65 t／m3。模型僅模擬進口輸沙中粒徑大于0.05 mm以上部分。

動床模型驗證試驗初始河床地形采用2006年6月底實測1∶10 000水下地形圖制作而成，模型施放2006年6月至2008年10月的水沙過程，以復演2008年10月實測河床地形。驗證試驗結(jié)果表明：模型沿程水位及垂線平均流速沿河寬的分布與原型基本相似，各段不同流量級下河床沖淤量總的變化規(guī)律與原型基本一致，模型深泓位置、斷面形態(tài)橫向分布與原型基本吻合，較好地復演了原型灘槽泥沙運動沖淤規(guī)律。最終確定模型的各項比尺如表1。

表1 動床模型各類比尺匯總表Table 1 Scales of themovable river bed model

4 試驗成果分析

本次模型主要通過長系列年動床模型試驗，研究三峽工程蓄水運用至2022年石首河段的河道沖淤變化規(guī)律，進而研究其河勢調(diào)整趨勢。模型試驗進、出口控制條件，采用1991－2000年系列年進庫水沙條件和三峽水庫泥沙淤積后出庫水沙過程進行壩下游長河段長時段一維水沙數(shù)學模型計算成果經(jīng)過概化得出。試驗主要成果如下［5］。

4.1 河床沖淤量及平均沖淤分布

三峽工程蓄水運用不同時期石首河段沖淤變化情況見表2。由表2可以看出：三峽工程蓄水運用后2008－2012年，石首河段以沖刷為主，枯水河槽累計沖刷0.478 2億m3，平均沖深1.39 m。2012年后沖刷有所減弱；2008－2017年，枯水河槽累計沖刷0.637 7億m3，平均沖深1.86 m；2008－2022年，枯水河槽累計沖刷0.71億m3，平均沖深2.07 m。三峽工程蓄水運行至2012年末、2017年末和2022年末，該河段均以枯水河槽沖刷為主，枯水河槽以上河灘沖刷幅度比較小，中水河槽以上整體還有所淤積。

表2 三峽工程蓄水運用不同時期石首河段（荊82－荊104）沖淤變化統(tǒng)計表Table 2 Scouring and sedimentation of Shishou reach（cross section J82 to J104）at different operation stages of TGP

4.2 深泓變化

三峽工程蓄水運用初期（2003－2008年）地形，與2002年10月比較，石首河段除古丈堤以上及魚尾洲以下發(fā)生淤積外，其它部位主河槽整體呈現(xiàn)沖刷下切的趨勢，深泓高程普遍下降，累積最大下降約14.5 m，位于向家洲前沿荊92附近。長系列年動床模型試驗結(jié)果表明（圖2）：三峽工程蓄水運用至2022年，石首河段主河槽仍以大幅度刷深為主，即深泓高程整體有所降低，沖刷較為嚴重的部位主要集中在北門口以下荊98附近，累計最大沖深為12.9 m，其余部位沖刷幅度基本在3～8 m，僅向家洲前沿荊92以上主河槽受天星洲至焦家鋪之間過渡段主流不斷下移的影響，整體有所淤積萎縮。

圖2 石首河段深泓縱剖面圖Fig.2 Longitudinal profile of thalweg in Shishou reach

4.3 典型橫斷面變化

三峽工程蓄水運用至2022年，石首河段斷面沖淤變化幅度比較大，且在左右岸之間的過渡段內(nèi)斷面調(diào)整尤為劇烈。荊84斷面位于石首河段進口過渡段內(nèi)，斷面形態(tài)呈“U”型，在三峽工程蓄水運用第6～20 a間（2008－2022年）斷面沖淤變化主要表現(xiàn)為主河槽沖刷下切且向右展寬；石2斷面位于天星洲與焦家鋪之間的過渡段內(nèi)，隨著該過渡段主流的不斷右擺下移，該斷面整體表現(xiàn)為沖灘淤槽，倒口窯心灘左緣不斷地沖刷崩退，原有的灘體遭受切割，主河槽隨之右移，原有的位于左岸近岸河床的主河槽則有所淤積萎縮；荊95斷面位于石首河段急彎段北門口附近，斷面形態(tài)為偏右的“V”型，受上游焦家鋪一帶主流不斷右擺趨直，下游石首附近的主流頂沖點隨之上提，該斷面主河槽與左側(cè)灘體均有所沖刷；荊99斷面位于北門口與北碾子灣之間的過渡段內(nèi)，三峽工程蓄水運用至2022年，該斷面右側(cè)灘體大幅度沖刷降低，主河槽隨之右移。各斷面沖淤變化情況詳見圖3。

圖3 石首河段典型斷面沖淤變化圖Fig.3 Transversal changes in Shishou reach

4.4 河勢變化

長系列年動床模型試驗結(jié)果表明，三峽工程蓄水運行第10年（即2012年）、第15年（即2017年）、第20年（即2022年）石首河段總體河勢與近期（2008年10月）基本一致。依然維持目前石首河彎左、右兩汊的分汊格局，左汊為主汊，左汊中的左、右兩槽并存，左槽右擺，右槽淤積，但局部河勢仍有一定程度的調(diào)整變化，隨運行年限延長河床呈沿程逐步整體沖刷下切的趨勢，深槽刷深拓展，過渡段主流整體有所下移，過渡段間主流平面擺動較大，局部區(qū)域江心洲灘及汊道段變化較為劇烈。具體變化如下：

（1）三峽工程蓄水運用至2022年末，石首河段整體呈現(xiàn)沖刷發(fā)展的趨勢，茅林口附近、天星洲左側(cè)及石首河彎凹岸主河槽均沖刷下切，20 m深槽貫穿整個河段的上下游；茅林口附近15 m深槽槽體面積擴大，至2022年，該處15 m深槽已與上游新廠附近15 m深槽合為一體，且槽尾已下延至荊84以上；天星洲左側(cè)主河槽內(nèi)15 m深槽刷深刷長，至2022年，槽首上伸至荊84以上，槽尾則下延至石2附近，且槽體向左有所擴寬。

（2）三峽工程蓄水運用至2022年末，石首河段由左岸茅林口向右岸天星洲一帶過渡時過渡段主流累積有所上提，致使天星洲洲體及洲頭心灘的左緣均有所沖刷崩退，30 m高程線累計最大崩退200 m（荊85＋1上游1 100 m附近），心灘頭部則淤積上延，與2008年初始地形相比，30 m高程線累積上移約800 m，心灘的淤積上延在一定程度上限制了藕池口的進流條件，藕池口口門相應(yīng)地有所淤積。

（3）三峽工程蓄水運用至2022年末，石首河段由右岸天星洲向左岸焦家鋪一帶過渡時，以及由右岸北門口以下過渡至左岸北碾子灣一帶時，過渡段主流均累積有所下移、右擺，與2008年初始地形相比，該過渡段主流累計最大右擺分別為700，160 m（見圖4），從而引起局部區(qū)域深槽及洲灘的沖淤變化。受焦家鋪過渡段主流下移、右擺影響，石首河彎附近15，10 m深槽槽首均有所淤積萎縮，至2022年末，分別累計下移約1.3，0.87 km；深槽尾部則沖刷下延，15 m深槽與下游左岸北碾子灣處15 m深槽貫通，10 m深槽尾部下延至荊98下游820 m，北碾子灣處10 m沖刷坑則有所沖刷上延，并向右擴展；倒口窯心灘灘體左緣大幅度沖刷，25，30 m高程線急劇崩退，最大崩退分別約820，490 m，右緣向右淤長，有與下游新生灘并靠的趨勢，即石首河彎左汊右槽呈淤積萎縮的趨勢；新生灘多年來沖淤變化不大。

5 河勢控制方案研究

石首河段多年來河勢調(diào)整較為劇烈，航道問題突出，是長江中游重點的礙航河段之一。三峽工程蓄水運用后，該河段的河勢調(diào)整仍在繼續(xù)，目前整體河勢基本維持新生灘左汊為主汊、左汊內(nèi)左槽為主河槽的格局。顯然，水利部1998年批準的《規(guī)劃報告》中提出的以新生灘右汊為主汊的發(fā)展方向與目前的河勢現(xiàn)狀是不相適應(yīng)的，而依據(jù)目前河勢格局下的長江中下游河道治理規(guī)劃修編工作已正在進行當中。因此，在石首河彎近期出現(xiàn)的新情況下，根據(jù)因勢利導的原則，并協(xié)調(diào)防洪、航運及經(jīng)濟建設(shè)間的關(guān)系，研究提出該河段的河勢控制方案是很有必要的，可為后期該河段的河道治理規(guī)劃修編奠定基礎(chǔ)。

圖4 石首河段河勢控制工程布置圖Fig.4 Layout of the river regime control projects in Shishou reach

三峽工程蓄水運用以前，石首河段河勢變化主要表現(xiàn)為急彎段主流的切灘撇彎。三峽工程蓄水運用以來，石首河段目前雖基本維持新生灘左汊為主汊、左汊內(nèi)左槽為主河槽的河勢格局不變，但主流在兩岸之間頻繁過渡，過渡段主流擺動較為劇烈，洲灘相應(yīng)地呈現(xiàn)沖淤消長變化，主流貼岸部位及頂沖點隨之上伸下延。從本河段長系列年動床模型試驗成果還可以看出：①三峽工程蓄水運用至2022年末，石首河段河勢仍有一定程度的調(diào)整，河段進口左岸茅林口一帶主流仍長期貼岸，且近岸河床存在一定幅度的沖刷；②茅林口一帶由左岸向右岸過渡的主流呈現(xiàn)逐漸上提的趨勢，致使右岸天星洲及洲頭心灘的左緣均出現(xiàn)不同程度的沖刷崩退；③由右岸天星洲附近向左岸焦家鋪一帶過渡的主流呈現(xiàn)下移的趨勢，但仍頂沖向家洲右緣，江中倒口窯心灘左緣隨之不斷沖刷崩退，右緣有所淤長，有與下游新生灘合并的趨勢；④北門口附近深槽急劇沖刷且向下游發(fā)展，主流貼岸的部位相應(yīng)地延長，至2022年末，貼流段末端已下延至荊98附近；⑤北門口至北碾子灣的主流過渡段有所右擺、下移，左岸的頂沖部位累積稍有下移。

通過分析石首河段歷史演變及近期演變規(guī)律，并結(jié)合本次長系列年動床模型試驗等研究成果，在綜合考慮影響防洪安全、河勢穩(wěn)定、航道安全3方面主要因素的基礎(chǔ)上，提出該河段的河勢控制初步思路：①對深泓近岸及主流頂沖的險工段采用護岸守護，包括對已建護岸工程的加固及未護段的新護；②根據(jù)河勢調(diào)整趨勢，對局部洲灘進行守護，以穩(wěn)定目前較為有利的河勢格局或防止其向不利河勢方向轉(zhuǎn)化。具體河勢控制工程情況（見圖4）如下：

（1）對石首河段進口左岸茅林口一帶主流貼岸、近岸沖刷較為嚴重的部位進行加固，與2009－2010年度實施的新護工程（樁號36＋300至35＋000）相連，具體加固范圍樁號35＋000至34＋200，長度800 m。

（2）受天星洲至焦家鋪一帶過渡段主流不斷下移影響，左岸向家洲的右緣頂沖會有所加劇，建議對原有的已護岸段進行加固，具體加固范圍為樁號26＋000至24＋000，長度2 000 m。另外，隨著該段主流的不斷下移，倒口窯心灘左緣會不斷沖刷崩退，左汊左河槽進口江面勢必變寬，流路會不穩(wěn)定，并且江面變寬泥沙可能會落淤形成新的心灘，形成礙航的淺灘；為穩(wěn)定該段的河勢及航道條件，建議在該段處于有利河勢且流路基本順暢的情況下對倒口窯心灘灘體及左緣進行守護。與此同時，對對岸焦家鋪一帶的邊灘進行固灘守護，形成較為順暢的河道，具體的河勢控制方案還需進一步論證確定。目前航道部門為了維護航道條件正在對焦家鋪一帶的邊灘進行守護。

（3）北門口下游右岸主流貼岸部位會有所下延，且下延至北門口已護工程（S6＋000至S9＋000）以下，為穩(wěn)定該段岸線，防止崩岸險情的發(fā)生，建議對北門口以下未護段進行新護，具體范圍為樁號S9＋000至S11＋000，長度2 000 m。

（4）受北門口至北碾子灣一帶過渡段主流不斷下移影響，左岸北碾子灣岸段頂沖會有所加劇，建議對原有的已護岸段進行加固，具體加固范圍為樁號1＋000至6＋000，長度5 000 m。

（5）茅林口一帶由左岸向右岸天星洲過渡的主流呈現(xiàn)逐漸上提的趨勢，致使右岸天星洲及洲頭心灘的左緣均出現(xiàn)不同程度的沖刷崩退，洲體的沖刷崩退勢必會對穩(wěn)定下游石首河彎進口條件產(chǎn)生一定的影響，但考慮到這一段河勢的調(diào)整變化與藕池口分流關(guān)系的復雜性，是否對天星洲洲體左緣進行守護還需今后進一步的研究論證。

6 結(jié) 論

本文通過長系列年動床模型試驗，研究了三峽工程運用至2022年石首河段的沖淤變化規(guī)律，并預測其河勢變化趨勢，最后針對該河段出現(xiàn)的新情況，研究提出了該河段的河勢控制方案，主要結(jié)論如下：

（1）三峽工程蓄水運用至2022年，石首河段主河槽仍以大幅度刷深為主，即深泓高程整體有所降低，僅向家洲前沿荊92以上主河槽受天星洲至焦家鋪之間過渡段主流不斷下移的影響，整體有所淤積萎縮。河段內(nèi)斷面沖淤變化幅度比較大，且以左右岸之間的過渡段內(nèi)斷面調(diào)整尤為劇烈。三峽工程蓄水運行第10年（即2012年）、第15年（即2017年）、第20年（即2022年）該河段總體河勢與近期（2008年10月）基本一致，依然維持目前石首河彎左、右兩汊的分汊格局，左汊為主汊，左汊中的左、右兩槽并存，左槽右擺，右槽淤積，但局部河勢仍有一定程度的調(diào)整變化。隨運行年限延長，河床呈沿程逐步整體沖刷下切的趨勢，深槽刷深拓展，過渡段主流整體有所下移，過渡段間主流平面擺動較大，局部區(qū)域江心洲灘及汊道段變化較為劇烈。

（2）石首河段河勢控制的初步思路是對深泓近岸及主流頂沖的險工段采用護岸守護，包括對已建護岸工程的加固及未護段的新護；另外，根據(jù)河勢調(diào)整趨勢，對局部洲灘進行守護，以穩(wěn)定目前較為有利的河勢格局或防止其向不利河勢方向轉(zhuǎn)化。天星洲左緣岸線守護工程因涉及與藕池口分流的復雜關(guān)系等問題，需進一步研究論證；倒口窯心灘及對岸焦家鋪一帶邊灘灘體守護的具體方案須采用河工模型試驗進行深入研究確定。

［1］ 陳長江.石首河段治理探討及整治效果分析［J］.水利管理技術(shù)，1997，17（4）：49－53.（CHEN Changjiang.Analysis on River Regulation Measures and Effects of Shishou Reach［J］.Water Management Technology，1997，17（4）：49－53.（in Chinese））

［2］ 長江水利委員會.長江中下游干流河道治理規(guī)劃報告［R］.武漢：長江水利委員會，1997.（Changjiang Water Resources Commission.Planning of River Regulation in the Midstream and Downstream of Yangtze River［R］.Wuhan：ChangjiangWater Resources Commission，1997.（in Chinese））

［3］ 路彩霞.長江石首河段河床演變分析［J］.水利水電快報，1997，18（13）：15－19.（LU Cai-xia.Analysis on Riverbed Evolution of Shishou Reach of Yangtze River［J］.Express Water Resources＆Hydropower Information，1997，18（13）：15－19.（in Chinese））

［4］ 長江科學院.長江防洪模型利用世界銀行貸款項目實體模型選沙報告［R］.武漢：長江科學院，2005.（Yangtze River Scientific Research Institute.Sand Selection for the Changjiang River Flood Protection Model of the World Bank Loan Project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2005.（in Chinese））

［5］ 長江科學院.三峽工程運用初期荊江楊家腦至北碾子灣河段沖淤演變及其河勢控制方案研究［R］.武漢：長江科學院，2011.（Yangtze River Scientific Research Institute.Fluvial Process and the River Regime Control Plans of the Reach from Yangjianao to Beinianziwan of Jingjiang River at the Initial Stage of Three Gorges Project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2011.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

TV147

：A

1001－5485（2011）09－0080－07

2011-07-25

水利前期科研項目及水利行業(yè)公益專項資助（CKSC2010021）

黃 莉（1981-），女，湖北鐘祥人，工程師，主要從事河流泥沙與河道整治研究，（電話）027-84238177轉(zhuǎn)806（電子信箱）hl＿hls＠163.com。